Säuren, Basen und der pH-Wert leicht erklärt
Zitronensaft schmeckt sauer, Seifenlauge fühlt sich glitschig an, und Rohrreiniger löst festgesetztes Fett im Abfluss auf. Hinter diesen sehr verschiedenen Beobachtungen steckt dieselbe Frage: Wie viele Wasserstoff-Ionen schwimmen in der Flüssigkeit herum? Die Antwort darauf passt in eine einzige Zahl - den pH-Wert. Er sagt dir, ob ein Stoff sauer, neutral oder basisch ist. Und er hat eine Eigenschaft, die viele überrascht: Er zählt nicht in normalen Schritten, sondern in Zehnerschritten.
Im Alltag reicht die Skala von 0 bis 14: Alles unter 7 ist sauer, genau 7 ist neutral, alles über 7 ist basisch (alkalisch). Die Werte sind Richtwerte - Kaffee, Cola und Blut schwanken je nach Sorte und Person ein wenig.
Was macht einen Stoff überhaupt sauer? Der dänische Chemiker Johannes Brønsted fand dafür 1923 eine erstaunlich einfache Erklärung. Eine Säure ist danach ein Teilchen, das ein Wasserstoff-Ion abgeben kann. So ein Wasserstoff-Ion (H+) ist nichts anderes als ein Proton - ein Wasserstoffatom, dem sein einziges Elektron fehlt. Eine Base ist umgekehrt ein Teilchen, das ein solches Proton aufnehmen kann. Sauer und basisch sind also keine Eigenschaften, die ein Stoff für sich allein besitzt, sondern Rollen in einer Reaktion: Der eine gibt ab, der andere nimmt auf. Ohne Partner passiert gar nichts.
Ein einzelnes Proton bleibt im Wasser keine Sekunde lang allein. Es hängt sich sofort an ein Wassermolekül und bildet ein Oxonium-Ion (H3O+). Wenn Chemikerinnen und Chemiker von einer sauren Lösung sprechen, meinen sie deshalb genau genommen eine Lösung mit besonders vielen Oxonium-Ionen. Das Gegenstück ist das Hydroxid-Ion (OH-), das für basische Lösungen typisch ist. Löst man Chlorwasserstoff in Wasser, entsteht Salzsäure und damit ein Überschuss an Oxonium-Ionen. Löst man Natriumhydroxid, entsteht Natronlauge mit einem Überschuss an Hydroxid-Ionen.
Das Verblüffende ist: Sogar reines Wasser enthält beide Sorten. Ab und zu gibt nämlich ein Wassermolekül ein Proton an ein anderes Wassermolekül ab. Diesen Vorgang nennt man Autoprotolyse: Aus 2 H2O werden ein H3O+ und ein OH-. Das geschieht allerdings extrem selten. Bei 25 Grad Celsius liegen von beiden Ionensorten nur 0,0000001 Mol pro Liter vor, also 10-7 mol/l. Weil beide genau gleich häufig sind, ist reines Wasser neutral - und aus dieser einen Zahl kommt der berühmte Wert 7.
Der pH-Wert ist nichts anderes als eine bequeme Schreibweise für diese Konzentration. Er ist der negative Zehnerlogarithmus der Oxonium-Konzentration, kurz: pH = -log c(H3O+). Statt 0,0000001 mol/l schreibt man einfach 7, statt 0,01 mol/l schreibt man 2. Der Logarithmus ist auch der Grund für die wichtigste Eigenschaft der Skala: Ein Schritt auf der pH-Skala bedeutet den Faktor 10. Eine Lösung mit pH 4 enthält zehnmal so viele Oxonium-Ionen wie eine mit pH 5 und hundertmal so viele wie eine mit pH 6.
Von pH 1 bis pH 7 sind es sechs Schritte. Jeder einzelne Schritt teilt die Zahl der Oxonium-Ionen durch zehn - zusammengenommen ist das der Faktor eine Million.
Deshalb sind Sätze wie "Cola ist doppelt so sauer wie Kaffee" schlicht falsch. Kaffee liegt bei etwa pH 5, Cola bei etwa pH 2,5 - das sind zweieinhalb Schritte und damit rund 300-mal so viele Oxonium-Ionen. Und Magensäure mit pH 1 bis 2 ist gegenüber reinem Wasser nicht fünf- oder sechsmal so sauer, sondern etwa hunderttausend- bis millionenfach. Wer diesen Punkt einmal verstanden hat, begreift auch, warum schon winzige pH-Veränderungen im Körper gefährlich sind: Menschliches Blut liegt sehr genau bei pH 7,4, und eine dauerhafte Abweichung um nur wenige Zehntel ist lebensbedrohlich.
Wie misst man den pH-Wert überhaupt? Am einfachsten mit einem Indikator, also einem Farbstoff, der seine Farbe je nach pH-Wert ändert. Lackmus zum Beispiel wird im Sauren rot und im Basischen blau. Ein Universalindikator ist eine Mischung mehrerer solcher Farbstoffe: Als Teststreifen oder Lösung zeigt er über die ganze Skala hinweg unterschiedliche Farben, die man mit einer Farbtabelle vergleicht - genau daher stammt auch der Farbverlauf in der Grafik oben. Wer es genauer braucht, nimmt ein pH-Meter mit Glaselektrode. Es misst eine winzige elektrische Spannung und rechnet daraus den pH-Wert auf zwei Nachkommastellen aus.
Trifft eine Säure auf eine Base, heben sich beide gegenseitig auf. Die Oxonium-Ionen und die Hydroxid-Ionen reagieren miteinander, und dabei entsteht wieder ganz gewöhnliches Wasser. Übrig bleiben die anderen Ionen, und die bilden zusammen ein Salz. Das Standardbeispiel ist die Reaktion von Salzsäure (HCl) mit Natronlauge (NaOH): Es entstehen Kochsalz (NaCl) und Wasser. Aus zwei ätzenden Flüssigkeiten wird also, wenn man sie im richtigen Verhältnis mischt, Salzwasser. Diese Reaktion heißt Neutralisation. Man nutzt sie im Labor, um Säurereste unschädlich zu machen, in der Landwirtschaft, um saure Böden zu kalken, und im Magen, wenn eine Tablette gegen Sodbrennen überschüssige Magensäure abfängt.
Wie stark selbst kleine pH-Werte wirken, trägt jeder Mensch im Mund mit sich herum. Zahnschmelz besteht fast vollständig aus Hydroxylapatit, einem sehr harten Calciumphosphat-Mineral. Es ist die härteste Substanz des menschlichen Körpers, hat aber eine Schwäche: Es löst sich in Säure. Sinkt der pH-Wert im Mund unter etwa 5,5 - den sogenannten kritischen pH-Wert -, werden Calcium- und Phosphat-Ionen aus dem Schmelz herausgelöst. Cola mit pH 2,5 liegt weit darunter, Zitronensaft mit pH 2 noch tiefer. Dazu kommen Kariesbakterien im Zahnbelag: Sie verwerten Zucker und geben dabei selbst Säuren ab. Der Speichel gleicht das normalerweise innerhalb einer halben Stunde wieder aus und lagert Mineralien zurück in den Schmelz. Genau deshalb empfehlen Zahnärzte, nach einer sauren Mahlzeit kurz zu warten, bevor man die Zähne putzt - sonst schrubbt man den angeweichten Schmelz einfach weg.
💬 Mia fragt Opa Theo
Warum hört die pH-Skala ausgerechnet bei 0 und bei 14 auf?
Streng genommen hört sie da gar nicht auf. Die Skala ist eine Rechnung, kein Lineal mit Anschlag. Sehr konzentrierte Säuren können auch negative pH-Werte haben, sehr konzentrierte Laugen Werte über 14. Nur kommen solche Lösungen im Alltag und im Schullabor praktisch nie vor - deshalb hat man sich auf den Bereich von 0 bis 14 als handliche Skala geeinigt.
Wenn Magensäure bei pH 1 liegt - warum löst sie dann nicht den Magen selbst auf?
Weil der Magen sich schützt. Seine Innenwand ist von einer zähen Schleimschicht überzogen, und in diesen Schleim geben die Zellen Hydrogencarbonat ab - eine Base, die ankommende Säure sofort neutralisiert. Direkt an der Zellwand liegt der pH-Wert deshalb bei etwa 7, obwohl es einen Millimeter weiter innen bei 1 bis 2 liegt. Zusätzlich erneuert sich die Magenschleimhaut ständig. Fällt dieser Schutz aus, entsteht genau das, was man ein Magengeschwür nennt.
Hat Leitungswasser eigentlich genau pH 7?
Nein, genau 7 hat nur chemisch reines Wasser. Leitungswasser enthält gelöste Mineralien, vor allem Hydrogencarbonat aus Kalkgestein, und liegt deshalb meist zwischen 7 und 8,5, ist also leicht basisch. Umgekehrt wird destilliertes Wasser, das offen herumsteht, mit der Zeit sogar leicht sauer: Es nimmt Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf, daraus entsteht Kohlensäure, und der pH-Wert rutscht auf etwa 5,5. Reines pH 7 ist also eher ein Ideal als ein Alltagszustand.
Den bekanntesten Indikator zum Selbermachen findet man im Gemüseregal. Rotkohl enthält Farbstoffe aus der Gruppe der Anthocyane, und diese Farbstoffe wechseln ihre Farbe je nach pH-Wert. Man kocht dazu ein paar Blätter Rotkohl klein geschnitten in Wasser, lässt den Sud abkühlen und gießt ihn ab. Verteilt man den violetten Saft auf mehrere Gläser und gibt in jedes etwas anderes hinein, entsteht ein ganzer Farbfächer: Mit Zitronensaft oder Essig wird der Saft kräftig rot, mit klarem Wasser bleibt er violett, mit Backpulverlösung wird er blau bis grün, und mit Seifenlauge kippt er ins Gelbgrüne. Genau in dieser Reihenfolge lässt sich die pH-Skala von der Küche aus nachbauen - und weil Rotkohl in Bayern und Österreich Blaukraut heißt, lässt sich sogar der Name erklären: Kocht man ihn mit Essig oder Apfel, bleibt er rot, kocht man ihn in kalkhaltigem, leicht basischem Wasser, wird er blau.
Warum Wasser sich beim Gefrieren ausdehnt, steht in Die Anomalie des Wassers. Wie fest, flüssig und gasförmig zusammenhängen, erklärt Die drei Aggregatzustände. Und wie Zellen aus Zucker Energie gewinnen und dabei Kohlenstoffdioxid freisetzen, zeigt Zellatmung.
Merksatz für die Klassenarbeit: Säuren geben Protonen ab, Basen nehmen sie auf, und der pH-Wert zählt diese Protonen in Zehnerpotenzen. Ein Schritt auf der Skala ist deshalb nie ein kleiner Unterschied, sondern immer der Faktor 10.
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